化工原理课程设计实例.ppt

化工原理课程设计实例 板式塔的设计 板式塔的设计内容 工艺流程的设计板式塔的工艺计算板式塔的机械设计塔的辅助设备设计与选型 工艺流程的设计 板式塔的设计从两方面考虑 1 经济方面 应该充分考虑整个系统热能的利用 以便降低操作费用 例如 从塔顶出来的蒸气和从塔底排出的液体带出的热量可用于预热原料液或它处 2 全塔操作的稳定性 若操作不稳定 就不能保证产品质量的均匀 有时也把冷凝器分割为两部分 一部分预热原料液 另一部分用冷却水使蒸气冷凝 这样可以用控制冷却水量来控制冷凝器的操作 同时保证进料温度一定 为此控制再沸器中加热蒸气压力的恒定是保证操作稳定的条件之一 但原料液或回流液的流量和温度发生变化时 稳定情况也会受到一定的影响 为了使进料保持稳定 一般入塔的原料液由高位槽供给 以免受泵的流量波动的影响 为了保持回流液的稳定 冷凝器常采用冷却水 而不用塔顶蒸气预热原料液 因为塔顶蒸气量如有波动 将影响回流液量及进料温度 从而影响整个塔的操作稳定性 有时也把冷凝器分割为两部分 一部分预热原料液 另一部分用冷却水使蒸气冷凝 这样可以用控制冷却水量来控制冷凝器的操作 同时保证进料温度一定 塔釜液体虽然温度很高 但用它来预热原料液 对液 液传热过程其传热系数很小 则所需传热面积必然很大 精馏方案的选定 1 操作压力 常压 加压 减压 设计压力一般指塔顶压力沸点低 常压下为气态的物料 加压操作 加压可提高操作的平均温度 有利于塔顶蒸气冷凝热的利用或可使用较便宜的冷却剂 减少冷凝 冷却的费用 在相同的塔径下 适当提高操作压力 还可提高塔的处理能力 但P提高 再沸器的T提高 相对挥发度下降 热敏性和高沸点的物料 减压操作 P降低 相对挥发度提高 有利于分离 操作的平均温度降低 加热剂温度降低 但可导致D增加 塔顶蒸气冷凝温度降低 必须使用真空设备 相应的操作费用和设备费用增加 由于塔板压降 从塔顶到塔底压力逐渐增加 温度也相应的增加 物料组成和压力同时作用的结果 因而沿塔物性和气液负荷也随之变化 常压和减压塔 如塔板压降不是很大 工艺计算时假定全塔各处压力相等 误差不大 减压塔 压力分布与塔板的结构形式 气液负荷 气液物性等多种因素有关 很难计算 一般先假设再较核 多次试差 精馏方案的选定 2 进料状态原则讲 要使回流在全塔发挥作用 全部冷量应该加在塔顶 全部热量加在塔底 但实际设计时应该考虑设备费和操作费问题及操作平稳等多种因素 进料 预热到泡点或接近泡点 进料温度不受季节气温变化和前一道工序波动限制 塔的操作比较容易控制 而且精馏段和提馏段的上升蒸气量相近 有时为了减小再沸器的热负荷 如再沸器所需加热剂温度较高 或物料容易在再沸器内结焦等 可在料液预热时加入更多的热量 甚至采用饱和蒸气进料 注意 实际设计还应该考虑整个车间的流程安排 精馏方案的选定 3 多股进料原料来源不同 浓度差别很大 从分离角度 应该从不同的位置加入 但所处理的物料量不多时 或其中的一种物料不多时 从设备加工和操作方便考虑 也往往多股混合以后作一股物料加入 精馏方案的选定 4 加热方式大塔 塔外 形式 夹套式 蛇管式 列管式 立式再沸器 卧式再沸器 立式热虹吸再沸器的主要特点 传热系数较高 结构紧凑 占地面积小 液体在管内停留时间短 不容易结垢 且容易清洗 但壳程不能清洗 因此用于较脏的加热介质 其本身造价较低 但要求较高的塔体裙座 卧式热虹吸再沸器的主要特点 可用低裙座 但占地面积大 出塔产品缓冲容积较大 故流动稳定 在加热段停留时间短 不容易结垢 可以使用较脏的加热介质 立式和卧式强制循环再沸器的共同特点 适应于高粘度液体和热敏性物料 因为强制循环流速高 停留时间短 有利于工艺流体循环流量的控制和调节 精馏方案的选定 5 冷却方式1 冷却剂 通常是水 水温随气候而定 入口一般为15 20 出口 50 目的防止溶解于水中的无机盐析出 冷却剂还可以是冷冻盐水 液氨等 一般用于较低温度 2 冷凝设备的结构形式小塔 蛇管换热器大塔 列管式换热器 工艺流程的设计 工艺流程设计的要求 根据规定的操作条件进行工艺流程的设计时 所选的参数 设备的型式必须进行简要的论证 对合理利用热能的可能性要做简要分析 绘制精馏装置的工艺流程图 设计开始时通常只能对方案 流程作初步安排 待整个设计计算完成后再对方案流程进行修正并作较全面的论证讨论 板式塔的工艺计算 精馏塔的物料衡算 热量衡算 工艺流程图1 物料衡算确定各股物料的流量和组成2 热量衡算确定冷凝器热负荷 再沸器热负荷 冷却器 预热器3 确定最小回流比和适宜的回流比4 求解理论板层数5 估算全塔效率6 确定实际塔板数 塔板的工艺设计 塔板间距塔径估算溢流装置塔板布置浮阀装置塔板流体力学验算 塔板间距 塔板间距过小 雾沫夹带严重 塔板效率降低 塔板间距过大 设备增高 金属耗量增大 塔的造价增加 塔板间距直接影响塔的生产能力 分离效率 操作弹性及塔的高度 塔板间距与塔径同时考虑 板间距大 塔径可小些 对于板数较多的塔 取较小的板间距 可适当降低塔高 塔径的估算塔径的大小取决于上升的蒸汽流量和空塔气速 适宜的空塔气速与流体的物理性质 塔板结构 流体力学等情况有关 计算时u 0 6 0 8 umax最大空塔气速umax根据液滴在沉降过程中受力情况导出 其中气体负荷系数C值由图1 7查出 塔径D 按标准GB9019 88圆整 对于选定的塔板间距是否合适 还要在后面进行流体力学验算 如果不合适需要重新选定 再估算塔径 进口堰及受液盘 进口堰 对圆形降液管多用 作用 1 保证液封 2 使液体在塔板上分布均匀 3 但因其占用较多塔截面 还易使沉淀物淤积造成阻塞 故多数不设 若设 hw 应这样考虑当hw h0 有液封 时 hw hw当hw h0 无液封 时 hw h0为保证液体由降液管流出时不致受到很大的阻力 进口堰与降液管间的水平距离h1不应小于h0 即h1 h0对于直径 800以上的大塔多采用受液盘 受液盘 对于直径 800以上的大塔多采用受液盘 作用 1 液封良好 且有改变液体流向的缓冲作用2 有侧线抽出取深些 一般大于50mm 塔板布置 塔板分成四个区域 1鼓泡区 塔板上气液接触的有效区域 2溢流区 降液管及受液盘所占的区域 3破沫区 安定区 前两区之间的面积 不装浮阀 主要作用为在液体进入降液管之前有一段不鼓泡的安定地带 以免液体大量夹带泡沫进入降液管4无效区 边缘区 支持塔板的边梁 其宽度根据塔板支承的需要而定 浮阀塔中浮阀数目与排列 浮阀塔的操作性能以板上所有浮阀处于刚刚全开时的情况为最好 这时塔板的压强降及板上液体的泄漏都比较小而操作弹性较大 浮阀的开度与阀孔处气相的动压有关 动压的大小取决于气体的速度与密度 即动能因数 由动能因数作为衡量气体流动时动压大小的指标F0 气体通过阀孔时的动能因数u 气体通过阀孔时的速度m s 气体密度kg m3 排孔要求 1 排孔图 鼓泡区 排完之后的总孔数与算得的N相近 并按实排数目重算阀孔气速 核算阀孔动能因数F0 若F0在9 12范围内 即可认为作图得出的阀数能够满足要求 否则应调整孔矩 阀数 重新作图 反复计算 2 也可根据已算出的阀数及溢流装置尺寸等 用作图法求出所需的塔径 并与最初估算的塔径相比较 经反复调整有关参数 直到作图所得出的塔径与最初估算的塔径相符为止 3 最后核算开孔率是否合适 否则前述过程重算 开孔率 对于常压塔或减压塔开孔率在10 14 之间 对于加压塔开孔率常小于10 浮阀塔板的流体力学验算 目的 检验上述各项工艺尺寸已经确定的塔板 在设计任务规定的气液负荷下能否正常操作内容 对塔板压强降 液泛 雾沫夹带 泄漏 等情况的验算 浮阀塔板的流体力学验算 气体通过浮阀塔板的压强降 原则 在保证较高效率的前提下 应力求减小塔板压降 以降低能耗及改善塔的操作性能 气体通过一层浮阀塔板时的压强降1 气体克服干板阻力所产生的压强降2 气流克服板上充气液层的静压力所产生的压强降3 气流克服液体表面张力所产生的压强降 阀塔板的流体力学验算 液泛为防止液泛 应保证降液管中泡沫液体总高度不能超过上层塔板出口堰 雾沫夹带现象 板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象 后果 过多的雾沫夹带将导致塔板效率严重下降 雾沫夹带到上一层塔板的液体量不应超过0 1kg 通过泛点率控制 漏液现象控制阀孔动能因数在5 6之间 浮阀塔的负荷性能图 雾沫夹带线 指控制ev 0 1kg液 kg气时的Vs Ls之间关系溢流液泛线 指降液管内泡沫层高度达到最大允许值时的Vs Ls之间关系液相负荷上限线 降液管超负荷线 反映了对于液体在降液管内停留时间的起码要求泄漏线 气相负荷下限线 不发生泄漏的最低气体负荷 是条平行于横轴的直线 控制动能因数F0液相负荷下限线 平堰 一般取堰上液层高度how 0 006m 作为液相负荷下限条件 低于此限便不能保证板上液流的均匀分布 降低气液接触效果 负荷性能图 浮阀塔的负荷性能图 在负荷性能图上 由上述的五条线所包围的区域是设计的塔板用于处理指定物系时的适宜操作区 即在此区域内操作 塔板上的流体力学状况是正常的 但该区域内各点处的板效率并不完全相同 代表塔板的预定气 液负荷的设计点P应位于适中位置 则可望获得稳定良好的操作效果 若P点紧靠某一边界线 则负荷稍有波动 便会使效率急剧下降 甚至完全破坏塔的操作 物系一定时 负荷性能图中各条线的相对位置随塔板结构尺寸而改变 操作弹性 气相负荷上 下限之比称为塔板的操作弹性系数简称操作弹性 浮阀塔的操作弹性一般为3 4 附属设备的设计与选型 1 热量衡算求取塔顶冷凝器 冷却器的热负荷和所需的冷却水用量 2 再沸器的热负荷和所需的加热蒸气用量 3 选定冷凝器和再沸器的型式 4 取所需的换热面积并查阅换热器标淮 选取合适的换热器型号 5 确定主要接管尺寸 列出接管表 精馏塔的主要接管包括蒸气出口管 回流管 加料管 进气管 釜液排出管等 接管的结构型式和设计计算所需数据可查有关资料 选择一换热器进行校核设计 各换热器型式的选定得视具体换热系统 介质性质以及热负荷大小等而定 换热器设计中应注意传热温度差至少保持10 20 左右 冷却